一種小型化觸屏高壓脈衝電源的製作方法

2024-03-04 19:02:15

本發明屬於高壓脈衝電源技術領域，具體涉及一種基於FPGA控制的小型化高壓重複頻率脈衝電源。

背景技術：

高壓脈衝電源具有廣闊的應用前景，在等離子體發生、脈衝電場處理、臭氧製備、衝擊波碎石等領域具有廣泛的市場。電源作為產生等離子體等的能量來源，對等離子體的特性有重要影響。研究表明脈衝電源的特徵參數(包括輸出電壓波形特性、脈衝上升沿和下降沿、脈衝重複頻率和脈衝寬度等)及其與負載的匹配狀況對系統的性能及處理效果的影響較大。此外，隨著設備狀態檢測手段的擴充等，要求脈衝電源設備的控制系統在具有較好的擴展接口，能夠與檢測手段相匹配，如要能夠接駁實時視頻信號、溫度信號等等。在此基礎上還要保證整個系統的可靠性、穩定性、經濟性以及通用性。

現場可編程門陣列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)具有體系結構簡單，邏輯單元靈活，集成度高以及通用性好等特點。FPGA作為控制模塊實現反饋控制脈衝發生系統具有很多優勢。

在人機輸入交互的過程中，帶有觸控螢幕的工業控制計算機相比於PC機體積小，能耗低，相對簡單的結構更易於維護和抵抗電磁幹擾，同時其低成本和較高的性價比也很適合工業化生產和應用。選擇基於ARM架構的觸控螢幕構成人機互動終端，為FPGA發送脈衝參數同時也顯示反饋信息，代替了廣泛使用的PC(個人電腦)，不僅減少了設備體積，也降低了系統能耗。

在高壓大功率開關領域，固態開關在開斷速度和操作穩定性方面相比傳統氣體開關具有很強的優勢，近年來隨著科技的不斷發展，其開斷容量也有了很大提升。在本發明中也應用了大容量固態開關IGBT來實現相應功能。同時通過外圍驅動電路的連續監測，可以得到IGBT的狀態反饋，實現了對IGBT的驅動以及狀態的監測。脈衝電源工作時，電源和負載之間必須具有良好的匹配關係，使得電源輸出的能量能夠最大限度耦合到負載中，並被負載吸收而無沿傳輸線的反射。脈衝放電等離子體的特徵是能在短時間內瞬時注入較大功率，使大部分的能量用於加速等離子體體系中的電子而非離子。這要求形成的脈衝電壓的波形應具有峰值高、上升陡、拖尾電壓低等特徵。此外，脈衝放電等離子體反應器的負載特性會直接影響電源工作的穩定性、可靠性、效率和壽命等。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種結構緊湊，性能優良，精確度高，調整靈活，含有自適應匹配網絡的一種小型化觸屏高壓脈衝電源。本發明採用零電壓開斷直流變換器技術得到直流高壓，通過FPGA通信與反饋技術得到高速驅動信號和反饋信號，通過觸控螢幕輸入運行參數與反饋運行信息，通過脈衝變壓器和脈衝自適應匹配網絡得到高壓理想方波，最終輸出高電壓脈衝重複頻率信號。

本發明提出的小型化觸屏高壓脈衝電源，包括：

人機互動觸控螢幕主機，運行通用作業系統，提供數據輸入界面及發送控制信號；

FPGA控制器，通過RS232串行接口與所述觸控螢幕主機通訊；

由該FPGA控制器反饋控制的高壓直流電源模塊；

依次連接的脈衝成型模塊和脈衝整形升壓模塊，該脈衝成型模塊和脈衝整形升壓模塊由該FPGA控制器分別控制，該脈衝整形升壓模塊輸出端作為脈衝電源的輸出端；及

自適應匹配模塊,它包括匹配電路和負載特性調節機構，連接於所述脈衝電源的輸出端和負載之間；所述FPGA控制器根據負載的特性數據，通過負載特性調節機構自動調節該匹配電路中的可變電容和/或可變電感，使所述脈衝電源輸出端與負載匹配運行。

本發明脈衝電源中，FPGA控制器主要包括FPGA晶片、高壓直流電源電壓反饋電路、脈衝電源電壓反饋電路、高壓直流電源模塊驅動電路以及脈衝成型模塊驅動電路等；各驅動電路的輸入端分別連接所述FPGA晶片輸出的相應PWM信號，各電壓反饋電路的輸出端分別連接所述FPGA晶片的相應輸入端。

所述自適應匹配模塊進一步包括與所述負載連接的負載特性檢測電路，所述負載的特性數據通過該負載特性檢測電路獲得。所述負載特性檢測電路由負載電壓採樣電路，負載電流採樣電路，以及所述FPGA控制器中的鑑相器和A/D轉換器組成。

所述的負載的特性數據也可以從所述人機互動觸控螢幕輸入，再傳送到所述FPGA控制器。

脈衝整形升壓模塊包括依次連接的脈衝變壓器、脈衝整形電路及勵磁湧流抑制電路。所述勵磁湧流抑制電路包括串聯在電源迴路中的NTC熱敏電阻和延時繼電器，該延時繼電器的常開觸點與該NTC熱敏電阻並聯，於該延時繼電器的整流電源的交流輸入迴路中串聯電阻R1和並聯有電阻R2的電容C1。勵磁湧流抑制電路能抑制變壓器的勵磁湧流對系統組件的損壞，保護迴路器件，且不會降低效率。

脈衝成型模塊的輸入端連接高壓直流電源模塊輸出的直流電壓，輸出1-100微妙脈寬可調、0-100kHz可調的重複頻率脈衝電壓。

具體實施例中，脈衝成型模塊由橋接的四個IGBT構成。FPGA控制器中的FPGA晶片GPIO埠輸出雙路互補PWM信號，驅動脈衝成型模塊驅動電路控制IGBT的通斷，形成雙極性脈衝或者單極性脈衝。脈衝成型模塊以反饋模式工作。為方便調試脈衝成型模塊4也能以直接模式工作。當脈衝成型模塊以直接模式工作時，根據電壓設置值從預設的周期值表中找到移相所需的周期值，所述FPGA晶片對該周期值信號進行對應延遲後輸出，使電源系統處於開環控制狀態。

在別的實施例中，脈衝成型模塊可以為電感器和電容器組成的並聯blumlein線網絡。

高壓直流電源模塊是輸入三相交流電、輸出直流電壓的能量提供設備。高壓直流電源模塊包括三相橋式整流充電迴路和移相全橋ZVS變換器，該三相橋式整流充電迴路由設置於FPGA控制器中的所述高壓直流電源驅動電路驅動工作。外部三相交流電通過不控整流電路整流成直流，之後進入移相全橋ZVS變換器，採用移相全橋ZVS變換器實現對直流電壓進行調壓。具體電壓可以由觸控螢幕設定，通過RS232串口向FPGA控制器發出指令；其配置的電壓檢測採樣電路將採到的電壓與設定值進行比較，通過反饋調節器來改變PWM移相角大小，實現直流高壓電壓的輸出。

本高壓脈衝電源的輸入所需脈衝的信息是由人機互動觸控螢幕的輸入獲得，人機互動觸控螢幕主機能運行一套脈衝發生系統人機互動程序，同時觸控螢幕具有RS232控制串口，整體作為FPGA控制器的上位機。交互程序中操作人員需要輸入所需脈衝信息，該脈衝信息包括峰值電壓、脈衝寬度、脈衝極性及脈衝重複頻率等。同時還可以設定實驗目標信息，如脈衝輸出個數、運行總時間以及脈衝總時間等。人機互動觸控螢幕主機將脈衝信息和控制信息通過RS232串口發送給FPGA控制器，同時通過RS232串口獲得反饋信息和運行狀態，並顯示；能夠顯示當前直流電源電壓以及脈衝電壓，當前運行時間，電壓作用總時間，脈衝輸出個數等。人機互動觸控螢幕可以實現脈衝輸出的開始、脈衝輸出的停止以及實時調整脈衝特性等功能；該脈衝特性包括峰值電壓、脈衝寬度及脈衝極性。

FPGA控制器中，核心FPGA晶片的IO分3組DATA總線，GPIO總線以插座的形式引出，此插座用於輸出PWM控制信號和接受反饋信號；GPIO接口輸出的PWM控制信號，經過光電耦合，實現高壓低壓信號分離和電平轉換。FPGA控制器配置連接有RS232串口，JTAG/CONFIG下載接口。FPGA具有50MHz的固定頻率晶振，能夠實現操作周期為20納秒。

FPGA控制器中的電壓檢測模塊(用於檢測高壓直流電源部分的高壓)由採樣電阻、霍爾傳感器、運算放大器、AD轉換器、串口發送晶片及其外圍電路組成。高壓待測電壓通過採樣電阻得到一個電流信號，電流信號通過霍爾傳感器實現高壓低壓隔離，再通過兩級運算放大器的調理和濾波，進入AD轉換器，將電壓信號轉化為電壓字符串信號輸出到FPGA中處理。所述電壓檢測模塊可採用內置A/D的單片機，外置連接22.1184Mhz晶振，來實現AD轉換以及向上位機反饋的功能。

本發明高壓脈衝電源可以產生脈衝寬度1μs-100μs，重複頻率可調節高達100kHz，輸出峰值電壓0-100kV的可調節重複頻率高壓脈衝。產生的脈衝質量好，系統運行穩定，具有高精度，抗幹擾，調整靈活，結構緊湊等特點。

本高壓脈衝電源輸出端配置有自適應匹配模塊，可以與負載自動匹配，使電源輸出的能量能夠最大限度耦合到負載中，使用方便。

其脈衝整形升壓模塊配置有勵磁湧流抑制電路，可以抑制變壓器的勵磁湧流對系統組件的損壞，保護迴路器件，且不會降低效率。

附圖說明

圖1是本發明脈衝電源的結構框圖；圖2是高壓直流電源模塊的原理圖；

圖3是兩條blumlein線並聯網絡示意圖；

圖4是四條blumlein線並聯的PFN電路板實物；圖5是自適應匹配模塊示意圖；

圖6是阻抗匹配時負載上的電壓脈衝波形；

圖7是阻抗失匹時負載上的電壓脈衝波形；圖8是勵磁湧流抑制電路原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進一步描述。

參照圖1，本小型化的觸屏高壓脈衝電源包括人機互動觸控螢幕主機1，FPGA控制器2，依次連接的高壓直流電源模塊3、脈衝成型模塊4、脈衝整形升壓模塊5以及自適應匹配模塊。其中，FPGA控制器2主要包括FPGA晶片、直流電源電壓反饋電路、脈衝電源電壓反饋電路、高壓直流電源模塊驅動電路、脈衝成型模塊驅動電路以及脈衝整形升壓模塊驅動電路等。人機互動觸控螢幕得到操作人員輸入所需脈衝的基本信息，該基本信息包括峰值電壓、脈衝寬度、脈衝頻率及脈衝極性信息，將基本信息通過RS232串口通信傳輸到FPGA控制器2中，由FPGA控制器2進行運算與轉換產生相對應的邏輯電壓(3.3V)的PWM控制信號，將PWM信號輸出給各個模塊(3、4、5)相應的驅動電路，在驅動電路中通過光電耦合實現邏輯電壓3.3V向固態開關IGBT驅動電壓15V的轉換，得到功率驅動信號，直接連接到高壓直流電源模塊3、脈衝成型模塊4以及脈衝整形升壓模塊5中所需驅動的固態開關IGBT，同時通過相應電壓反饋電路部分得到各個高壓模塊的電壓狀態，通過比較實際值與設定值的差別，實時調整PWM波形的各項參數實現反饋控制，實現脈衝電壓的輸出同時將運行狀態反饋給觸控螢幕模塊，將信息顯示給操作人員。

人機互動觸控螢幕主機1是一種運行通用作業系統的工業控制計算機用作上位機，操作人員通過程序界面輸入脈衝的參數，控制脈衝發生的開始和停止。人機互動觸控螢幕主機1通過RS232串行通訊接口的屏蔽串口線，並利用UART傳輸協議將信息按照自編通信協議發送給FPGA控制器2，同時通過RS232串口接收電壓測量信息和過流反饋信息，實時的反饋信息給操作者，同時實現反饋控制。人機互動觸控螢幕主機1通過比較設定值與實際值的差別實時調整PWM波形的各項參數。這些操作都是在運行的軟體中實現的。

參照圖2，高壓直流電源模塊3由橋式不控整流充電迴路和移相全橋零電壓變換器(ZVS變換器)組成。系統外部三相交流電通過不控整流電路整流成直流，由大電容Ci進行平滑和儲能，進入移相全橋DC-DC轉換器，Q1、Q2、Q3、Q4為四個固態開關IGBT，通過並聯電容C1～C4以及限流二極體實現移相全橋ZVS變換器，實現零電壓開通斷開。變換器輸出的交流波形通過脈衝變壓器T1以及由D5～D8組成的不控全橋整流電路最終輸出到後級大電容兩端進行儲能，實現對輸出直流電壓進行調壓。具體電壓可以由觸控螢幕設定，電壓檢測採樣電路將採到的電壓與設定值進行比較，通過反饋調節器來不斷改變PWM移相角大小，實現直流高壓電壓的輸出。

FPGA控制器2中的電壓檢測模塊(用於高壓直流電源部分的高壓檢測)的採樣部分包括一個採樣電阻，一個霍爾電流傳感器及運算放大器等。待測電壓通過採樣電阻得到一個微小電流進入霍爾傳感器，通過內部電流轉換輸出另一電流，此電流通過建立可直接測量的低電壓，此過程實現了高低壓隔離和轉換。建立後的低電壓經運算放大器放大後，進入電壓跟隨器輸出至AD轉換器。電壓跟隨器的設置能夠減小共模幹擾，提高電路輸入阻抗，降低輸出阻抗，防止後級電路對前級採樣電壓信號產生影響，在進入AD轉換器之前需要進行濾波和限幅處理。FPGA控制器2的電壓檢測模塊中，信號的AD轉換由內置A/D的單片機來實現，單片機外置連接22.1184Mhz晶振；數據發送選用RS232串口發送。驅動電壓轉換部分由傳統光電耦合器等構成。上述四個固態開關IGBT由FPGA控制器2中的高壓直流電源模塊驅動電路驅動工作。

脈衝成型模塊4由四個IGBT開關組成全橋電路，該全橋電路由來自FPGA控制器2的驅動脈衝成型模塊驅動電路的驅動信號，及其不同的寬度適時的開通斷開，在負載端產生所需一定寬度的脈衝波形。

脈衝成型模塊4還可為電感器和電容器組成的並聯blumlein線網絡。如利用圖3所示的脈衝形成網絡(PFN)級聯網絡形成脈衝。圖3為兩條blumlein線並聯網絡實例1，主要包括電感、電容網絡，每條blumlein線上的波過程是相同的。調節電感、電容特性及其PFN級數可調節系統的內阻。圖4是四條blumlein線並聯的PFN電路板實物，構成原理類同圖3。充滿電的PFN網絡可以對負載放電，在負載上形成矩形脈衝，且脈衝寬度由PFN網絡的特性時間決定，與開關時間無關。

對於脈衝形成網絡形式的脈衝成型模塊4，除了在負載端要求阻抗匹配，同時脈衝的寬度也是隨著脈衝形成網絡結構的確定而確定的，可以調整的是脈衝波形的極性以及波形。在現有控制器的控制下脈衝發生設備可以在負載上輸出方波和三角波。

脈衝整形升壓模塊5包括依次連接的脈衝變壓器、脈衝整形電路及勵磁湧流抑制電路。勵磁湧流抑制電路的設置是基於如下的考慮，在進線電源合閘瞬間，迴路會形成很大的浪湧電流。如果恰好是在交流輸入電壓峰值啟動時，浪湧電流將達到最大；特別是對於大功率開關電源，浪湧電流有可能達到數百安培。在電源接通瞬間通過如此大的浪湧電流，往往會導致合閘開關觸點燒壞，衝擊電流也會損壞電容器和造成整流橋過流損壞。圖8是勵磁湧流抑制電路原理圖。勵磁湧流抑制電路包括串聯在電源迴路中的NTC熱敏電阻和延時繼電器，該延時繼電器的常開觸點與該NTC熱敏電阻並聯，於該延時繼電器的整流電源的交流輸入迴路中，串聯電阻R1和並聯有電阻R2的電容C1。繼電器(或SCR可控矽)和負溫度係數熱敏電阻(NTC)是勵磁湧流抑制模塊的核心元件。NTC熱敏電阻的主要作用是抑制浪湧。延時繼電器的驅動電源由220V交流源整流得到，延時時間由電阻R1、R2和C1決定，延時時間為5秒。實驗結果表明，限流電阻和延時繼電器的引入較好地限制了啟動浪湧電流。

圖5為自適應匹配模塊示意圖。自適應匹配模塊包括配匹電路、負載特性調節機構以及與所述負載連接的負載特性檢測電路。所述負載特性檢測電路由負載電壓採樣電路，負載電流採樣電路，以及所述FPGA控制器中的鑑相器和A/D模塊組成。圖5中配匹電路由可變電容C和可變電感L組成，負載電壓採樣電路為並聯於負載兩端的兩個分壓電阻支路，負載電流採樣電路可採用電流互感器等。兩個採樣電路採集的負載電壓、負載電流信號一起輸入到FPGA控制器中的鑑相器，鑑相器輸出的相位差信號經A/D變換，通過FPGA判斷處理後，輸出控制信號通過負載特性調節結構對匹配電路中可變電容和/或可變電感參數進行調整；此過程重複進行直到輸出波形達到規定程度。圖6是配置自適應匹配模塊後，阻抗匹配時負載上的電壓脈衝波形圖；圖7是未配置自適應匹配模塊阻抗失匹時負載上的電壓脈衝波形圖。